空气钻井是目前钻速最快的钻井方式，在国外已得到了广泛的运用，在国内四川区块也得到了较快的发展[1-2]。空气钻井可以直观、及时、无遗漏地发现产层、获得高的单井产能；可以大幅度提高钻井速度，缩短建井周期，降低钻井成本；可以有效控制井漏、防止井斜、减少环境污染和克服泥页岩水敏性坍塌等，这些优点使得空气钻井应用前景广阔。但空气钻井在使用的过程中也存在一些缺点[3-4]，例如，不能很好地应对井壁力学性失稳，极易出现井斜现象；需要昂贵的地面设备，特别是地层出水问题将严重制约着空气钻井的使用，在气体钻井的应用过程中，许多井因地层出水而提前结束气体钻井，大大降低了气体钻井的推广应用效果。
目前，大多采用泡沫钻井液应对出水问题，但并没有解决出水的根本问题。因为，一旦应用泡沫钻井液后将无法继续应用空气钻井，空气钻井效果将大打折扣。同时，如果转换为泡沫或常规钻井液钻井时，若处理不好，可能会导致卡钻、井壁垮塌等井下复杂情况。
针对空气钻井地层出水这一难题，国内外相关专家、学者进行了大量的研究。通过提出一种新型随钻监测方法，对地层出水问题进行实时、全面的监测[1, 5]；或采用雾化钻井、充气钻井联合的方式解决地层出水的问题[6-7]；或基于随钻测井技术，分析随钻获取地层参数资料所需工具的结构及技术特点，对地层出水层位的预测方法进行研究，建立气体钻井地层出水的一种新型计算模型等[8-9]。但以上研究并没有从根本上解决地层出水的这一技术难题。因此，提出了一种处理地层出水的固相携水剂携水新技术，该技术在四川某区块进行了首次应用并且取得了良好的效果。固相携水剂携水新技术主要是通过添加处理剂(固相粉末)的方式，在较短的时间内快速地将地层水携带出来，并且携带能力极强，可携带自身重量10倍以上的地层水，而且具有温度越高，地层水矿化度越低，携水速度越快的特点；携水剂保水能力强且携水后不会因力的增加而失水；与传统泡沫相比，该携水剂携水后松软，不具黏结性，有利于钻井安全和提高机械钻速。固相携水剂携水后，对其进行集中收集并进行高温处理，将携水剂中的水分蒸干后对其进行分离，分离后的携水剂可再次进行回收利用。
在利用空气钻井时，当钻到含水地层，地层水会流入井眼，干燥的岩屑就会吸水，岩屑很容易黏糊成块并附着在井壁和钻具上形成泥环，从而造成钻具泥包、卡钻、循环管路被堵塞以及井下着火等钻井事故[8, 10-12]。若此时改用常规钻井液钻井，会急剧降低钻井效率、机械钻速，并且增加钻井成本。针对此问题，目前常用的方法是在空气钻井的基础上采用泡沫进行钻进，使用泥浆泵压入泡沫基液，在立管处泵入的基液开始与空气进行混合，并在钻具内形成泡沫，通过空气泡沫的方法来完成钻进[10]。但是，当地层出水严重，出水量超过20 m3/h时，通过在空气中添加泡沫钻井的方式已经不能保证正常的钻进，极易发生井下事故。
针对上述空气泡沫钻井所出现的问题，提出了一种处理地层出水的新技术，即固相携水剂携水技术，并对该技术进行了系统的介绍与分析。主要对固相携水技术的携水性能、携水速率、黏附性能以及压力对吸水性能的影响进行了研究。
针对携水性能的研究，设计了两组试验。第一组为：准备一些蒸馏水和盐，按照不同的比例成分进行混合，共制成2种样品，分别是1 kg蒸馏水和在1 kg蒸馏水中添加0.02 kg盐，以及现有的常规泡沫剂，然后将2种样品和泡沫剂分别加热到不同温度，即：室温、40 ℃、60 ℃和93 ℃，对其进行携水倍数、携水速度的观察和测量，其结果见表 1。第二组为：在不改变温度(室温)的前提下，分别向1 kg蒸馏水中添加0.002 kg、0.01 kg、0.02 kg、0.04 kg、0.08 kg的盐，然后将制成的样品进行携水倍数的观察与试验，结果见表 2。
由表 1、表 2分析可知，不管是蒸馏水、矿化度还是泡沫剂，其携水倍数均随温度的增加而增加，携水速度却随着温度的增加而降低，但蒸馏水、矿化度携水速度还是远远大于泡沫钻井的携水速度；随着矿化度的增加，携水倍数不断降低，矿化度为0的蒸馏水的携水倍数最高，达到了225。由此可知，高浓度的矿化度不利于携带地层水。
携水速率是携水性能的一个重要参数，携水速率的大小直接影响着空气钻井能否正常顺利地进行。因此，针对携水速率展开全面的研究，尽可能地进行多组试验。同样，以蒸馏水和盐为原料进行试验样品的配制，共配制成6种试验样品，每种试验样品进行4次试验，结果见表 3。为了说明固相携水剂携水速率的优越性，同样对常规的泡沫剂进行了4次试验，每次试验得到的携水所需时间分别为50 s、65 s、71 s、75 s，并且携水倍数也较小。
由常规泡沫剂试验结果以及表 3分析可知，随着矿化度的增加，携水所需要的时间就越长，而携水倍数总体上在减小。因此，在配制携水剂时尽量选用蒸馏水或者矿化度低的水；与泡沫钻井相比，其携水速率、携水量要远远地大于泡沫的携水速率、携水量。该新技术的携水速率仅需要几秒到1 min的时间即可，并且携水量能够达到上百倍，而泡沫的携水速率最低一般也要1 min左右，并且携水量也不是太好。
在进行空气钻井的过程中，如果遇到地层出水，将会严重影响空气钻井的顺利进行。由于液体在环空的出现[11-14]，会湿润水敏性页岩，导致井塌卡钻；湿岩屑会一起黏附在钻杆的外壁并形成泥饼环，不能被空气从环中带出，当环中被泥饼填满时，会阻止空气的流动产生卡钻现象；且随着这些间歇的空气大段塞沿着井眼向上运动，会对地面设备和井壁产生不稳定的效应。因此，如何降低黏附性能，对提高空气钻井的质量、保证空气钻井的顺利进行起着至关重要的作用。
针对提出的处理地层出水的固相携水剂携水性能新技术进行了黏附性能的研究。方法为：在1 g的携水剂中混合5 g泥粉，然后加入10 g清水(为携水剂质量的10倍)；同样，在另一个容器里加入1 g的泡沫剂或者一些普通的材料，然后再加入5 g泥粉和10 g清水，稍等数分钟后观察两个样品的黏附情况，如图 1所示。结果发现，加入携水剂里的泥粉比较分散并且无明显的黏附现象，而加入泡沫剂材料的黏附现象十分严重。
空气钻井作为一种典型的欠平衡钻井，是通过旋转防喷器(或旋转控制头)和节流管汇控制井底压力[13]，让井筒压力低于地层孔隙流体压力。当钻井遇到渗透性地层时，地层流体将会进入井筒，这些流体可能是油、水、天然气以及对人体有害的气体等。如果井底的压差过大，不仅易造成井口设备过载，甚至失控或引起井漏、井喷、地层坍塌、出砂，造成地层毁灭性破坏等井下复杂事故，严重影响整体勘探开发和钻井效果，而且还会造成人员的伤亡[14-15]。因此，在满足钻井需要的前提下，尽量减小钻井压差，使其控制在较小的范围内。但在遇水地层中，同时需要满足携水性能的要求，所以还需要开展压力对固相携水技术的吸水性能研究，并进行如下试验。首先，准备适量的蒸馏水和盐，按照一定的比例配制5组试验样品(见表 4)；其次，利用压力测试仪对其进行测试，并记录开始保压压力和保压时间后达到的压力，通过比较，计算压差；最后，数分钟后对其进行观察并查看试验结果，见表 4。
由表 4分析可知，压差、温度的大小对固相携水技术的吸水性能具有重要的影响，当吸水倍数相同时，压差越小，固相携水剂无滤失、滴水现象的保持时间越强，即吸水性能越强。同时发现，在相同压差、温度下，当改变样品的吸水倍数时，吸水性能也在发生变化。当压差为0.7 MPa，吸水倍数为20时，无论是蒸馏水还是矿化度为20 000×10-6，在室温条件下对其观察8 min，未发现有滤失、漏水、滴水的现象；当压差为3.5 MPa，吸水倍数为20时，不论是蒸馏水还是矿化度为20 000×10-6，在温度为93 ℃的条件下对其观察5 min，均无滤失，无漏水、滴水现象，但当超过5 min时有稍微的滤失现象。在其他条件不变的情况下，仅增加蒸馏水的吸水倍数，让其达到饱和状态。结果发现，当观察3 min时就出现了严重的滤失、漏水、滴水现象，并且1 min内滴水体积达到4 mL。
为了验证在空气钻井中固相携水剂携水性能的优越性以及高效的井眼干燥速度，对其进行了现场试验。2013年开展了携水剂携水性能的首次试验，试验现场如图 2所示。10：51向主供气管线加注携水剂，10：53携水剂全部入井，总计注入携水剂0.2 t，携水剂未返出排砂管线前，排砂管线内出口水流未出现断流现象。10：55携水剂携带地层水开始返出，10：57携水完毕。10：57至11：21，排砂管线出口一直返出干气，未见水雾及液滴，11：22排砂管线开始返出地层水，经计算，得到携水剂携水量约为2 t。该试验说明，固相携水剂具有极强的携水性能，并且携水速率极快，仅几分钟就能将2 t水全部携完。
紧接着又进行了第二次试验。14：40携水剂加注完毕，总计加注携水剂0.045 t，在携水剂进入井底到携水剂全部返出排砂管线时，结果发现立压和注气压力减小，显示了携水剂较好的携水性能。由此可见，压差的大小对携水剂的吸水性能具有重要的影响，试验结果见表 5、图 4。
当天晚上又进行了无液携水剂携水技术的第三次试验，该次试验的目的主要是加快井眼干燥速度，发现效果十分明显。23：50，气举作业完成，开始进入井眼干燥阶段，然而直至次日7：30点(总计约7.5 h)，井筒仍然有连续液流从排砂管线排出。现场决定采用无液相携水技术和提高注气量方式来加速井眼干燥进程。7：32现场加入携水剂0.002 t，同时提高注气量。1 h后，排砂管线返出携水剂，之后再无液滴返出，且返出氮气干燥无雾气，录井捞砂见携水剂成分。由此可见，0.002 t携水剂加速了井眼干燥，减少了柴油消耗和人工成本，增加了经济效益，降低了钻井成本。
0.1 t×(8-1)h=0.7 t·h(柴油)
12人×(8-1)h=84人·h(人工)
(1) 在分析现有空气钻井工艺以及泡沫钻井处理地层出水的基础上，提出了一种新的固相携水剂处理地层出水的新技术，解决了现有携水技术携水性能低、携水速率慢、黏附性强等问题。
(2) 结合现场条件，对固相携水剂携水性能进行了试验，与传统泡沫相比，该技术具有携水速度快(5 s)，携水剂迟到时间仅2 min；携水量大(10倍)，0.2 t携水剂携水量达2 t，且携水举水后井筒无水雾、无液滴时间长达24 min；携水剂返出排砂管线前，排砂口未见排出液断流，不会造成井筒憋压，不影响正常钻进等特点。
(3) 如果该技术能够在空气钻井得到广泛的应用，对于提高钻井速度、减少钻井周期、延长气体钻井施工井段、提高经济效益、降低钻井成本等具有重要意义。
2015, Vol. 44 Issue (3): 113-117
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